DE102009012500A1

DE102009012500A1 - Wärmestrommessgerät umfassend Dioden

Info

Publication number: DE102009012500A1
Application number: DE200910012500
Authority: DE
Inventors: Martin Hoegenauer-Lego
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-03-12
Filing date: 2009-03-12
Publication date: 2010-09-23
Anticipated expiration: 2029-03-13
Also published as: DE102009012500B4

Abstract

System mit einer Matrix, aufweisend:
– Elektrische Leiter, welche die Reihen und Spalten der Matrix bilden,
– Dioden-Temperatursensoren, die jeweils mit einer Reihe und mit einer Spalte der Matrix verbunden sind,
– wobei wenigstens zwei der Dioden-Temperatursensoren ein Sensor-Paar bilden und so einander zugeordnet sind, dass ein örtlicher, im Bereich des Sensor-Paares fließender, Wärmestrom ermittelt werden kann.

Description

Zur Messung des Wärmestroms auf Oberflächen von Körpern, im Boden, in Wänden, in elektronischen Baugruppen usw., gibt es eine Vielzahl unterschiedlicher Wärmestromsensoren. Eine Beschreibung dieser Sensoren ist u. a. auch in folgenden Patentschriften enthalten: CH 643 653 A5 , DE 3822164 A1 .
Da der Wärmestrom mit einzelnen Sensoren nur punktuell gemessen bzw. als Mittelwert über die Sensorfläche ausgegeben werden kann, muss man bei der Bestimmung des Wärmestroms einer größeren zu erfassenden Oberfläche davon ausgehen, dass der zu erfassende Wärmestrom auf der Oberfläche homogen verteilt ist.
Ist der Wärmestrom auf einer Oberfläche jedoch inhomogen verteilt, sind mehrere Wärmestromsensoren nötig, um den Gesamtwärmestrom richtig zu erfassen. Hierzu bestimmt man u. a. einzelne Bereiche der Körperoberfläche, bei denen man eine homogene Verteilung vermutet und ordnet diesen Bereichen je einen Wärmestromsensor zu (siehe DE 69425571 T2 )
Sind derartige Bereiche mit homogener Wärmestromverteilung vorab nicht festlegbar, soll aber der dennoch der Gesamtwärmestrom genau ermittelt werden,
gibt es Lösungen mit einer Vielzahl von Wärmestromsensoren, welche z. B. in regelmäßigen Abständen auf einem Substrat angeordnet sind ( JP002007208262AA ). Weiterhin existiert eine relativ aufwändige Schaltung aus Dioden und den Dioden nachgeschalteten Potentiometern zur Messung von Temperaturdifferenzen ( GB 2 032 109 A ), mit welcher mehrere Wärmestromsensoren realisiert werden können.
Der Erfindung liegt die Aufgabenstellung zu Grunde, ein einfaches System zur Messung von Wärmeströmen zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale gemäß Anspruch 1 gelöst.
Dabei kann die Bildung einer Matrix aus Reihen und Spalten z. B. dadurch erfolgen, dass die Reihen und Spalten aus zueinander im wesentlichen senkrecht angeordneten Leitern bestehen, insbesondere elektrischen Leitern, wobei diese Leiter selbst z. B. aus Drähten oder Leiterbahnen einer Leiterplatte bestehen können.
Weiter können die Dioden z. B. dadurch jeweils mit einer Reihe und mit einer Spalte der Matrix verbunden werden, indem die Dioden jeweils an einen, eine Reihe bildenden Leiter und an einen eine Spalte bildenden Leiter, insbesondere in der Nähe von einem Kreuzungspunkt einer Reihe und einer Spalte angeschlossen werden.
Das jeweilige Sensorpaar kann dabei insbesondere so angeordnet sein, dass der Anteil des örtlichen, im Bereich des Sensorpaares fließenden Wärmestroms der im wesentlichen senkrecht zur Matrix fließt, ermittelt werden kann, wobei der Wärmestrom insbesondere aus der Temperaturdifferenz der einzelnen Sensoren des Sensoren-Paares ermittelt wird.
Die vorliegende Erfindung ist nachstehend mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Dabei zeigen:

1 Schematische Darstellung der Diodenmatrix

1: Einzelne Diode
2: Paar aus 2 Einzeldioden

2 Einzelner Wärmestromsensor (Sicht von oben und von Seite)

3: Metallhülse
4: 1. Diode
5: Leiterplatte bzw. -Folie
6: Matrixdraht
7: Wärmeleitendes Material
8: 2. Diode

Es gibt eine Schaltungsanordnung (siehe 1), welche die effektive Messung von vielen Temperaturen durch Ausnutzung der Temperaturabhängigkeit der elektrischen Eigenschaften von Dioden erlaubt, z. B.: JP000005026739AA :
Dies geschieht durch Verschaltung der Dioden über eine Matrix aus kreuzweise angeordneten elektrischen Leitern.
Zur Temperaturbestimmung wird die an einer Diode (2) abfallende Durchlassspannung bei konstantem Strom gemessen. Hierzu werden im Multiplexverfahren die Schalter z. B. der Spalte A4 und Zeile B4 geschlossen. Es fließt ein von der Stromquelle (Sense) erzeugter, konstanter Strom durch die Diode am Kreuzungspunkt A4–B4. Alle anderen Dioden bleiben wegen deren Eigenschaft, den Strom nur in eine Richtung zu leiten, unbeeinflusst. Am Eingang eines A/D-Wandlers (Input) liegt nun eine Spannung an, die proportional zur Temperatur an der Diode ist. Der Spannungs-Rohwert (U_F) kann z. B. durch ein Polynom 2. Grades in eine Temperatur umgerechnet werden: T(UF) = c1·UF 2 – c2·UF + c3
Weiterhin kann durch Kombination zweier Temperatursensoren, zwischen welchen sich ein wärmeleitendes Material befindet ein Wärmestromsensor realisiert werden, weil folgende physikalische Gesetzmäßigkeit gilt:
Besteht zwischen zwei in bestimmtem Abstand gelegenen Punkten eines Körpers mit konstanter Wärmeleitfähigkeit ein Temperaturunterschied, so fließt vom wärmeren zum kälteren Punkt Wärme, mit einem zur Temperaturdifferenz proportionalen Wärmestrom.
Bildet man nun in regelmäßigen Abständen Paare von Sensoren (1), indem man z. B. jeweils zwei Leiter einer Matrixspalte oder -Reihe näher zusammenrückt und ordnet man diese Sensorpaare annähernd übereinanderliegend, senkrecht zur Matrix an, erhält man pro Sensorpaar einen Wärmestromsensor (siehe 2), wenn man das Sensorpaar durch ein wärmeleitendes Material (7) miteinander verbindet. Dadurch entsteht ein Netzwerk aus vielen einzelnen Wärmestromsensoren.
Vorteil:
Im Vergleich zum Messen eines inhomogenen Wärmestroms durch eine Oberfläche mit einzelnen Wärmestromsensoren, ergibt sich wegen der matrixartigen Verschaltung durch Einsparung von Zuleitungen und elektronischen Bauteilen ein Materialkostenvorteil und ein erheblicher Zeitvorteil bei der Produktion.
Es ist nun möglich, mittels z. B. eines Drahtnetzes aus Wärmestromsensoren einen inhomogenen Wärmestrom über eine größere Fläche zu messen oder eine hohe Auflösung bei kleineren zu vermessenden Oberflächen zu erzielen, da der Platzbedarf für die Sensorzuleitungen erheblich verringert ist. Die Herstellung von kompletten Wärmestrommessflächen in Form von Gitternetzen, Folien, Matten, Platten usw., welche viele Wärmestromsensoren enthalten wird damit wesentlich vereinfacht.
Auch eine Lösung, bei welcher sich die Leiter-Matrix aus Dioden-Temperatursensoren auf einem Halbleitersubstrat befindet, welches mindestens die Größe der zu erfassenden Wärmestromfläche aufweist, ist nun einfacher zu realisieren.
Weitere Ausgestaltung der Erfindung:
Das wärmeleitende Material zwischen den Dioden-Temperatursensoren kann evtl. auch nur aus dem Gehäusematerial der Diode selbst bestehen. Die Dioden können daher mechanisch direkt miteinander verbunden sein, da ja das Diodengehäuse oder das Halbleitersubstrat aus dem die Diode besteht, meist ebenfalls eine konstante Wärmeleitfähigkeit über einen gewissen Temperaturbereich aufweisen.
Nach messtechnischer Erfassung der Wärmeströme der einzelnen Wärmestromsensoren kann die Wärmestromverteilung an der Oberfläche nun mittels Ausgabe eines Bildes durch einen Computer, z. B. wie von der Infrarotthermographie bekannt, örtlich aufgelöst und farbig oder mittels Grafen in einem Diagramm dargestellt werden.
Weiterhin kann durch Kalibration der Temperatursensoren mittels eines Kalibrierstandes, der eine Fläche mit homogener Temperaturverteilung bereitstellt, die Genauigkeit der einzelnen Temperaturmessungen erhöht werden. Eine weitere Erhöhung der Messgenauigkeit kann durch anschließende Kalibration der Wärmestromssensoren erreicht werden, indem durch einen Kalibrierstand eine Fläche mit homogen verteiltem Wärmestrom bereitgestellt wird, an welcher die Matrix anliegt.
Durch die Anordnung einer elektrischen Heiz- bzw. Kühlmöglichkeit an jedem einzelnen Wärmestromsensor, angesteuert über eine weitere Matrix aus Leitern, kann man zudem eine Heiz- bzw. Kühlfläche realisieren. Durch eine übergeordnete Steuereinheit, die zunächst den Wärmestrom jedes einzelnen Sensorpaares misst und anschließend die einzelnen Heiz- bzw. Kühleinrichtungen (z. B. Peltier-Elemente) ein- oder ausschaltet kann bewirkt werden, dass nur an den Stellen geheizt bzw. gekühlt wird, an welchen auch Wärme oder Kälte abgenommen wird.
Ein Anwendungsbeispiel hierzu wäre eine Sitzheizung bzw. -Kühlung z. B. für Fahrzeuge, welche nur dann heizt oder kühlt, wenn durch das Besetzen des Sitzes ein signifikanter Wärmestrom durch die Sitzoberfläche fließt.
Eine weitere Anwendung ergibt sich durch Anbringen einer größeren Wärmestromsensormatrix mit den erfindungsgemäßen Eigenschaften auf einer Matratze eines Bettes. Dies ermöglicht die Überwachung auf Fieber oder Untertemperatur einer sich in dem Bett befindenden Person: Sobald der Gesamtwärmestrom einen Maximalwert überschreitet bzw. unterschreitet, kann Alarm ausgelöst werden. Auch bestimmte Körperteile, wie z. B. Füße oder Hände, können durch Auflegen auf eine entsprechende Wärmestromsensormatrix auf funktionierende Durchblutung in bestimmten Abschnitten, wie z. B. Fingern oder Zehen, untersucht werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- CH 643653 A5 [0001]
- DE 3822164 A1 [0001]
- DE 69425571 T2 [0003]
- JP 002007208262 AA [0004]
- GB 2032109 A [0004]
- JP 000005026739 AA [0011]

Claims

System mit einer Matrix, aufweisend: – Elektrische Leiter, welche die Reihen und Spalten der Matrix bilden, – Dioden-Temperatursensoren, die jeweils mit einer Reihe und mit einer Spalte der Matrix verbunden sind, – wobei wenigstens zwei der Dioden-Temperatursensoren ein Sensor-Paar bilden und so einander zugeordnet sind, dass ein örtlicher, im Bereich des Sensor-Paares fließender, Wärmestrom ermittelt werden kann.
System nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Sensor-Paar beispielsweise mittels einer weiteren Matrix aus Reihen und Spalten von elektrischen Leitern, eine Heizung und/oder eine Kühleinrichtung zugeordnet ist.
System nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizleistung der Heizung und/oder die Kühlleistung der Kühleinrichtung abhängig vom jeweiligen, am Sensor-Paar gemessenen, Wärmestrom geregelt wird.
System nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizung und/oder Kühleinrichtung und ein einzelnes Sensor-Paar gemeinsam auf einem Substrat, einer Leiterplatte oder einer Leiterfolie angeordnet sind.
System nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischenmaterial der Sensor-Paare nur aus dem Gehäuse der Dioden-Temperatursensoren oder dem Halbleitersubstrat besteht.
System nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiter-Matrix aus Dioden-Temperatursensoren als integrierter Schaltkreis auf einem Substrat ausgeführt ist.
System nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizleistung der Heizung und/oder die Kühlleistung der Kühleinrichtung abhängig vom jeweiligen, am Sensor-Paar gemessenen, Wärmestrom so geregelt wird, dass der Wärmestrom bei wenigstens zwei Sensor-Paaren und insbesondere bei mehreren oder bei allen Sensor-Paaren in etwa den gleichen Wert aufweist und insbesondere den Wert 0 aufweist.
System nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizleistung der Heizung und/oder die Kühlleistung der Kühleinrichtung abhängig vom jeweiligen, am Sensor-Paar gemessenen, Wärmestrom so geregelt wird, dass nur dann bzw. nur bei denjenigen Sensoren-Paaren geheizt bzw. gekühlt wird, an welchen ein signifikanter Wärmestrom fließt.
Verwendung eines Systems nach einem der vorherigen Ansprüche, zur Vermessung von Sitzflächen, Zwischenräumen von Wärmedämmungen, Fahrzeugkomponenten, Wärmeentwicklung bei elektrischen bzw. elektronischen Geräten und zur Messung von Wärmeströmen an Tieren oder Menschen.
Verwendung eines Systems nach einem der Ansprüche 1–8 zur geregelten Beheizung bzw. Kühlung von Sitzflächen, Fahrzeugkomponenten, Labor-Versuchsanordnungen.
Verfahren zum Messen und/oder zum Regeln von Wärmeströmen, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmestrom mittels des Systems nach einer der Ansprüche 1–8 gemessen und/oder geregelt wird.